饮料罐装生产流水线PLC控制系统设计

摘 要作为通用工业控制计算机，可编程控制器实现了工业控制领域接线逻辑到存储逻辑的飞跃，在世界工业控制中发挥着越来越重要的作用。本论文通过对饮料罐装生产流水线控制系统的组成的了解,利用PLC的功能和特点设计出了此系统.系统通过开关设定为自动操作模式，一旦启动，则传送带的驱动电机启动并一直保持到停止开关动作或罐装设备下的传感器检测到一个瓶子时停止；瓶子装满饮料后，传送带驱动电机自动启动，并保持到又检测到一个瓶子或停止开关动作，当瓶子定位在罐装设备下时，停顿1秒，罐装设备开始工作，罐装过程为5秒钟，罐装过程应有报警显示，5秒后停止不再显示报警；用两个传感器和若干个加法器检测并记录空瓶数和满瓶数。本课题主要用了PLC，传感器，继电器等。采用它的自动控制能力好的特点，这样可以在生产过程中无需有人控制。同时还介绍还介绍了PLC的组成，特点及发展趋势等。关键词：饮料罐装 生产流水线 控制ABSTRACTAs a general industrial control computers, programmable controllers of the industrial control logic to the storage area of wiring the leap in logic, industrial control in the world is playing an increasingly important role. In this paper, canned drinks through the production line control system composed of understanding and use of the PLC functions and features designed to the subject. The main topic of the Mitsubishi PLC, sensors, relays, and so on. Its ability to control the use of good characteristics, this can in the production process without some control. The article has just begun on the PLCs knowledge, given the composition of the PLC, the characteristics and principles, and extended to in the application of the system. The article on the subject of system design has also made detailed, and also introduced the PLC programming and applications.Key words：Canned drinks production lines control目录1、概述11.1 可编程控制器的基本组成11.2 可编程控制器的主要特点 31.3 可编程控制器的发展趋势41.4 可编程控制器的工作原理52、PLC的编程及应用62.1 PLC编程特点62.2 PLC编程的基本规则62.3 典型控制程序73、顺序控制及状态转移图73.1 顺序控制73.2 状态转移图的设计法73.3 状态转移的实现83.4 画状态转移图的一般步骤84、饮料罐装生产流水线控制系统设计84.1 设计目的84.2 设计器材84.3 动作要求94.4 I/O 分配表94.5 状态转移图104.6 梯形图104.7 上机调试12结论12致谢12引 言可编程控制器简称PC（Programmable Controller），它经历了可编程序矩阵控制器PMC、可编程序顺序控制器PSC、可编程序逻辑控制器PLC（Programmable Logic Controller）和可编程序控制器PC几个不同时期。为与个人计算机（PC）相区别，现在仍然沿用可编程逻辑控制器这个老名字。1987年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。1、概述1.1可编程控制器的基本组成运行状态下，输入单元接收到外部元件发出的输入信号，可编程控制器执行程序，并根据程序运行后的结可编程控制器主要由CPU、存储器、基本I/O接口电路、外设接口、编程装置、电源等组成。可编程控制器的结构多种多样，但其组成的一般原理基本相同，都是以微处理器为核心的结构。编程装置将用户程序送入可编程控制器，在可编程控制器果，由输出单元驱动外部设备。1.1.1 CPU单元CPU是可编程控制器的控制中枢，相当于人的大脑。CPU一般由控制电路、运算器和寄存器组成。这些电路通常都被封装在一个集成的芯片上。CPU通过地址总线、数据总线、控制总线与存储单元、输入输出接口电路连接。CPU的功能有：它在系统监控程序的控制下工作，通过扫描方式，将外部输入信号的状态写入输入映象寄存区域，PLC进入运行状态后，从存储器逐条读取用户指令，按指令规定的任务进行数据的传送、逻辑运算、算术运算等，然后将结果送到输出映像寄存区域。CPU常用的微处理器有通用型微处理器、单片机和位片式计算机等。通用型微处理器常见的如Intel公司的8086、80186、到Pentium系列芯片，单片机型的微处理器如Intel公司的MCS-96系列单片机，位片式微处理器如AMD 2900系列的微处理器。小型PLC 的CPU多采用单片机或专用CPU，中型PLC的CPU大多采用16位微处理器或单片机，大型PLC的CPU多用高速位片式处理器，具有高速处理能力。 1.1.2. 存储器可编程控制器的存储器由只读存储器ROM、随机存储器RAM和可电擦写的存储器EEPROM三大部分构成，主要用于存放系统程序、用户程序及工作数据。 只读存储器ROM用以存放系统程序，可编程控制器在生产过程中将系统程序固化在ROM中，用户是不可改变的。用户程序和中间运算数据存放的随机存储器RAM中，RAM存储器是一种高密度、低功耗、价格便宜的半导体存储器，可用锂电池做备用电源。它存储的内容是易失的，掉电后内容丢失；当系统掉电时，用户程序可以保存在只读存储器EEPROM或由高能电池支持的RAM中。EEPROM兼有ROM的非易失性和RAM的随机存取优点，用来存放需要长期保存的重要数据。1.1.3. I/O单元及I/O扩展接口（1）I/O单元PLC内部输入电路作用是将PLC外部电路（如行程开关、按钮、传感器等）提供的符合PLC输入电路要求的电压信号，通过光电耦合电路送至PLC内部电路。输入电路通常以光电隔离和阻容滤波的方式提高抗干扰能力，输入响应时间一般在0.115ms之间。根据输入信号形式的不同，可分为模拟量I/O单元、数字量I/O单元两大类。根据输入单元形式的不同，可分为基本I/O单元、扩展I/O单元两大类。（2）I/O扩展接口可编程控制器利用I/O扩展接口使I/O扩展单元与PLC的基本单元实现连接，当基本I/O单元的输入或输出点数不够使用时，可以用I/O扩展单元来扩充开关量I/O点数和增加模拟量的I/O端子。1.1.4. 外设接口外设接口电路用于连接手持编程器或其他图形编程器、文本显示器，并能通过外设接口组成PLC的控制网络。PLC通过PC/PPI电缆或使用MPI卡通过RS-485接口与计算机连接，可以实现编程、监控、连网等功能。1.1.5. 电源电源单元的作用是把外部电源（220V的交流电源）转换成内部工作电压。外部连接的电源，通过PLC内部配有的一个专用开关式稳压电源，将交流/直流供电电源转化为PLC内部电路需要的工作电源（直流5伏、正负12伏、24伏），并为外部输入元件（如接近开关）提供24V直流电源（仅供输入端点使用），而驱动PLC负载的电源由用户提供。1.2可编程控制器的主要特点(1)可靠性高 ： PLC的MTBF一般在4000050000h以上，西门子、ABB、松下等微小型PLC可达10万h以上，而且均有完善的自诊断功能，判断故障迅速，便于维护。 (2)模块化组合灵活 ： 可编程控制器是系列化产品，通常采用模块结构来完成不同的任务组合。 I/O从88192点，有多种机型、多种功能模板可灵活组合，结构形式也是多样的。 (3)功能强 PLC应用微电子技术和微计算机，简单型式都具有逻辑、定时、计数等顺序控制功能。基本 型式再加上模拟I/O、基本算术运算、通信能力等。复杂型式除了具有基本型式的功能外，还具有扩展的计算能力、多级终端机制、智能I/O、PID调节、过程监视、网络通信能力、远程I/O、多处理器和高速数据处理能力。 (4)编程方便 ： PLC适用针对工业控制的梯形图、功能块图、指令表和顺序功能表图(SFC)编程，不需要太多的计算机编程知识。新的编程工作站配有综合的软件工具包，并可在任何兼容的个人计算机上编程。 (5)适应工业环境 ： PLC的技术条件能在一般高温、振动、冲击和粉尘等恶劣环境工作，能在强电磁干扰环境下可靠工作。这是PLC产品的市场生存价值。 (6)安装、维修简单与计算机系统相比， PLC安装不需要特殊机房和严格的屏蔽。使用时只要各种器件连接无误，系统便可工作，各个模件上设有运行和故障指示装置，便于查找故障，大多数模件可以带电插拔，模件可更换，使用户可以在最短的时间内查出故障，并排除，最大限度地压缩故障停机时间，使生产迅速恢复。然后再对故障模件进行修复，这对大规模生产场合尤为适宜。 一些PLC外壳由可在不良工作环境下工作的合金组成，结构简单，上面带有散热槽，在高温下，该外壳不像塑料制品那样变形，还可抗无线电频率(RF高频)电磁干扰、防火等。 (7)运行速度快 ： 随着微处理器的应用，使 PLC的运行速度增快，使它更符合处理高速度复杂的控制任务，它与微型计算机之间的差别不是很明显。 (8)总价格低 PLC的重量、体积、功耗和硬件价格一直在降低，虽然软件价格占的比重有所增加，但是各厂商为了竞争也相应地降低了价格。另外，采用PLC还可以大大缩短设计、编程和投产周期，使总价格进一步降低。 PLC系统与工业总线计算机和DCS系统相互渗透，互为借鉴，相互竞争而发展。促进了工业的进步。PLC产品面临现场总线的发展，将再次革新，满足工业与民用控制的更高需要。 1.3 可编程控制器的发展趋势PLC的发展也是与计算机技术、控制技术、数字技术、通信网络技术等高新技术的发展息息相关，正是这些高新技术的发展推动了可编程控制器的发展。从控制功能来看，可编程控制器的发展大致经历了4个阶段：(1)初级阶段：从第一台PLC问世到20世纪70年代中期由于第一代PLC是为了取代继电器的，因此，主要功能是逻辑运算和计时、计数功能。CPU由中小规模数字集成电路构成。主要产品有：MODICON公司的084，AB公司的PDQ-IL，DEC公司的PDP-14，日立公司的SCY-022等。第一阶段就采用了梯形图语言作为编程方式，尽管有些枯燥，但却形成了工厂的编程标准；(2)扩展阶段：从20世纪70年代中期到70年代末期这一阶段PLC产品的控制功能得到很大扩展。扩展的功能包括数据的传送、数据的比较和运算、模拟量的运算等功能。这一阶段的产品有MODICON的184，284，384，西门子公司的SIMATICS3系列，富士电机公司的SC系列产品；(3)通信阶段：20世纪70年代末期到80年代中期这一阶段产品与计算机通信的发展有关，形成了分布式通信网络。但是，由于各制造商各自为政，通信系统也是各有各的规范。由于在很短的时间内，PLC就已经从汽车行业迅速扩展到其它行业，作为继电器的替代品进入了食品、饮料、金属加工、制造和造纸等多个行业。其次，产品功能也得到很大的发展。同时，可靠性进一步提高。这一阶段的产品有西门子公司的SIMATICS6系列，GOULD公司的M84，884等，富士电机的MICRO和TI公司的TI530等；(4)开放阶段：从20世纪80年代中期开始由于国际标准化组织提出了开放系统互连的参考模型OSI，使PLC在开放功能上有较大发展。主要表现为通信系统的开放，使各制造厂商的产品可以通信，通信协议开始标准化，使用户得益。此外，PLC开始采用标准化软件系统，增加高级语言编程，并完成了编程语言的标准化工作。这一阶段的产品有西门子公司的S7系列，AB公司的PLC-5，SLC500，德维森的V80和PPC11，加拿大ONLINECONTROL公司与合控电气公司所开发的OPENPLC等。1.4 可编程控制器的工作原理PLC 的工作方式是一个不断循环的顺序扫描工作方式。每一次扫描所用的时间称描周期或工作周期。 CPU 从第一条指令开始，按顺序逐条地执行用户程序直到用户程序结束，然后返回第一条指令开始新的一轮扫描。 PLC 就是这样周而复始地重复上述循环扫描的。 执行用户程序时，需要各种现场信息，这些现场信息已接到 PLC 的输入端口。 PLC 采集现场信息即采集输入信号有两种方式：第一种，采样输入方式。一般在扫描周期的开始或结束将所有输入信号（输入元件的通 / 断状态）采集并存放到输入映像寄存器（ PII ）中。执行用户程序所需输入状态均在输入映像寄存器中取用，而不直接到输入端或输入模块去取用。第二种，立即输入方式。随着程序的执行需要那一个输入信号就直接从输入端或输入模块取用这个输入状态，如“立即输入指令”就是这样，此时输入映像寄存器的内容不变，到下一次集中采样输入时才变化。 同样， PLC 对外部的输出控制也有集中输出和立即输出两种方式。 集中输出方式在执行用户程序时不是得到一个输出结果就向外输出一个，而是把执行用户程序所得的所有输出结果，先后全部存放在输出映像寄存器（ PIQ ）中，执行完用户程序后所有输出结果一次性向输出端口或输出模块输出，使输出设备部件动作。立即输出方式是在执行用户程序时将该输出结果立即向输出端口或输出模块输出，如“立即输出指令”就是这样，此时输出映像寄存器的内容也更新。 PLC 对输入输出信号的传送还有其他方式。如有的 PLC 采用输入，输出刷新指令。在需要的地方设置这类指令，可对此电源 ON 的全部或部分输入点信号读入上电一次，以刷新输入映像寄存器内容；或将此时的输出结果立即向输出端口或输出模块输出。又如有的 PLC 上有输入、输出的禁止功能，实际上是关闭了输入、输出传送服务，这意味着此时的输入信号不读入、输出信号也不输出。可编程控制器整个运行可分为三部分： 第一部分是上电处理。可编程控制器上电后对 PLC 系统进行一次初始化工作，包括硬件初始化， I/O 模块配置运行方式检查，停电保持范围设定及其他初始化处理等。 第二部分是扫描过程。可编程控制器上电处理完成以后进入扫描工作过程。先完成输入处理，其次完成与其他外设的通信处理，再次进行时钟、特殊寄存器更新。当 CPU 处于 STOP 方式时，转入执行自诊断检查。当 CPU 处于 RUN 方式时，还要完成用户程序的执行和输出处理，再转入执行自诊断检查。 第三部分是出错处理。 PLC 每扫描一次，执行一次自诊断检查，确定 PLC 自身的动作是否正常，如 CPU 、电池电压、程序存储器、 I/O 、通信等是否异常或出错，如检查出异常时， CPU 面板上的 LED 及异常继电器会接通，在特殊寄存器中会存入出错代码。当出现致命错误时， CPU 被强制为 STOP 方式，所有的扫描停止。 PLC 运行正常时，扫描周期的长短与 CPU 的运算速度有关，与 I/O 点的情况有关，与用户应用程序的长短及编程情况等均有关。通常用 PLC 执行 1K 指令所需时间来说明其扫描速度 ( 一般 110ms/K) 。值得注意的是，不同指令其执行是不同的，从零点几微秒到上百微秒不等，故选用不同指令所用的扫描时间将会不同。若用于高速系统要缩短扫描周期时，可从软硬件上考虑。2、PLC的编程及应用 2.1 PLC编程方法梯形图是PLC中最常用的方法，它源于传统的继电器电路图，但发展到今天两者之间已经有了极大的差别。PLC的梯形图有一条左母线，相当于继电器电路的电源正极，还有一条右母线，相当于电源负极。 (1)经验编程法 (2)解析编程法 (3)图解编程法 PLC在梯形图里可以无数次地使用其触点，既可以是常闭也可以是常开。2.2 PLC编程的基本规则PLC编程应遵循以下基本规则：(1)输入/输出继电器、辅助继电器、定时器、计数器等软元件的触点可以多次重复使用，无需复杂的程序结构来减少触点的使用次数。 (2)梯形图每一行都是从左母线开始，线圈止于右母线。触点不能直接接右母线；线圈不能直接接左母线。 (3)在程序编写中一般不允许双重线圈输出，步进顺序控制除外。 (4)可编程序控制器程序编写中所有的继电器的编号，都应在所选PLC软元件列表范围内。 (5)梯形图中不存在输入继电器的线圈。 (6)程序的编写应按照自上而下、从左到右的方式编写。为了减少程序的执行步数，程序应“左大右小、上大下小“，尽量不出现电路块在左边或下边的情况。2.3 典型控制程序(1)自保持程序自保持电路也称自锁电路。常用于无机械锁定开关的启动停止控制中。如用无机锁定功能的按钮控制电动机的启动和停止；并且分为启动优先和断开优先两种。(2)互锁程序互锁电路用于不允许同时动作的两个或多个继电器的控制，如电动机的正反转控制。 (3)时间电路程序时间电路程序主要用于延时、定时和脉冲控制。时间控制电路，既可以用以用定时器实现也可以用标准时钟脉冲实现。在FX1S系列有64个定时器和四种标准时钟脉冲（1min、1S、100ms、10ms）可用于时间控制，编程时使用方便.3、顺序控制及状态转移图根据状态转移图，采用步进指令可对复杂的顺序控制进行编程。为了对步进指令灵活地运用，我们在此应对顺序控制和状态转移图的概念加强了解。 3.1 顺序控制所谓顺序控制，就是按照生产工艺所要求的动作规律，在各个输入信号的作用下，根据内部的状态和时间顺序，使生产过程的各个执行机构自动地、有秩序地进行操作。在顺序控制中，生产过程是按顺序、有秩序地连续工作。因此可以将一个较复杂的生产过程分解成若干步骤，每一步对应生产过程中的一个控制任务，即一个工步或一个状态。且每个工步往下进行都需要一定的条件，也需要一定的方向，这就是转移条件和转移方向。 3.2 状态转移图的设计法何谓状态转移图（系统状态）设计法，系统程序设计一般有两种思路：一是针对某一具体对象（输出）来考虑），另一种就是功能图设计法。它把整个系统分成几个时间段，在这段时间里可以有一个输出，也可有多个输出，但他们各自状态不变。一旦有一个变化，系统即转入下一个状态。给每一个时间段设定一个状态器（步进接点），利用这些状态器的组合控制输出。例如工作台自动往复控制系统,我们可以画出它的状态转移图：一工作台自动往复控制程序（1）要求：正反转启动信号SB0、SB1，停车信号SB2，左右限位开关SQ1、SQ2，左右极限保护开关SQ3、SQ4，输出信号Y0、Y1。具有电气互锁和机械互锁功能。 3.3 状态转移的实现任何一个顺序控制过程都可分解为若干步骤，每一工步就是控制过程中的一个状态，所以顺序控制的动作流程图也称为状态转移图，状态转移图就是用状态（工步）来描述控制过程的流程图。 在状态转移图中，一个完整的状态必须包括： (1)该状态的控制元件； (2)该状态所驱动的对象； (3)向下一个状态转移的条件； (4)明确的转移方向。 状态转移的实现，必须满足两个方面：一是转移条件必须成立，二是前一步当前正在进行。二者缺一不可，否则程序的执行在某些情况下就会混乱。 3.4 画状态转移图的一般步骤(1)分析控制要求和工艺流程，确定状态转移图结构（复杂系统需要）。(2)工艺流程分解若干步，每一步表示一稳定状态。(3)确定步与步之间转移条件及其关系。(4)确定初始状态。（可用输出或状态器）(5)解决循环及正常停车问题。(6)急停信号的处理。4、 饮料罐装生产流水线控制系统设计4.1 设计目的采用自动控制系统，完成PLC控制饮料罐装生产流水线控制系统。4.2 设计器材施耐德PLC，XK-2005电气智能技术应用教学专家系统实验台，导线若干。4.3 动作要求（1）系统通过开关设定为自动操作模式，一旦启动，则传送带的驱动电机启动并一直保持到停止开关动作或罐装设备下的传感器检测到一个瓶子时停止；瓶子装满饮料后，传送带驱动电机自动启动，并保持到又检测到一个瓶子或停止开关动作（2）当瓶子定位在罐装设备下时，停顿1秒，罐装设备开始工作，罐装过程为5秒钟，罐装过程应有报警显示，5秒后停止不再显示报警；（3）用两个传感器和若干个加法器检测并记录空瓶数和满瓶数，一旦系统启动，必须记录空瓶数和满瓶数，设最多不超过9999瓶（4）可以手动对计数值清零（复位）4.4 I/O 分配表%I0.0 启动 %I0.2 空瓶数复位%I0.1 停止 %I0.3 满瓶数复位%M2 空瓶数计数 %M5 满瓶数计数%Q0.2 报警显示 %Q0.1 传送带4.5 状态转移图% Q0. 1 M1M6 M2T0C0+1 M3T1 5S M5 %I0.0C1+1%Q0.2%I0.0 传送带起动 检测空瓶数1S1S 检测满瓶数 饮料罐装流水线控制状态转移图4.6 梯形图实验台接线参照图如下进行实验台的外部接线。满瓶数手动复位罐装设备下停顿1秒罐装过程为5秒空瓶数手动复位空瓶数计数满瓶数计数4.7 上机调试首先对要求进行编写程序，调整输